可持续化学驱动下的生物医学能源材料创新：绿色合成、生物可降解能源系统与临床转化的前沿进展

本文针对传统生物医学器件存在的能源不可持续、环境负担重及生物相容性差等问题，系统综述了基于可持续化学策略的能源材料在植入式设备、生物传感器等领域的应用。研究聚焦绿色合成聚合物、生物可降解电池及多机制能量采集系统，揭示了其在提升临床安全性、环境兼容性与能源自主性方面的突破性潜力，为下一代智能医疗器件设计提供了跨学科解决方案。

　　

随着全球医疗电子设备需求的激增，传统植入式器械和生物传感器带来的环境与临床问题日益凸显。这些设备多依赖不可再生资源制造，生产过程能耗高，且废弃后产生大量电子垃圾。更严峻的是，传统电池存在毒性材料泄漏风险，需二次手术更换，加重患者负担。在这一背景下，可持续化学与生物医学工程的交叉融合成为破解难题的新路径——通过绿色合成工艺和生物可降解材料，构建既能高效供能又与环境、人体相容的下一代医疗能源系统。

近期发表于《Sustainable Chemistry for Energy Materials》的研究深入探讨了这一前沿领域。该研究系统分析了如何通过可持续化学原理设计生物医学能源材料，重点包括绿色合成聚合物、生物基纳米复合材料、以及多种能量采集技术（如压电、热电磁电与生物燃料电池）。研究人员采用生命周期评估（LCA）和材料性能对比方法，结合临床前实验数据，论证了这些材料在实现功能、生物相容性与环境可持续性三者平衡方面的突破。

为开展本研究，团队主要运用了以下关键技术方法：一是绿色合成技术（如酶催化聚合、微波辅助反应），用于制备生物可降解聚合物（如聚乳酸PLA、聚己内酯PCL）；二是生物基材料加工工艺（如超临界CO₂发泡、静电纺丝），制造多孔支架和柔性电极；三是能量采集器件的集成设计（如基于纤维素纳米纤维的压电器件、金属棉纤维生物燃料电池），并结合体外降解实验和体内动物模型验证其生物相容性与功能稳定性。

3.1. 绿色合成聚合物与生物材料

研究指出，传统生物医学聚合物合成依赖高温、有毒溶剂，而绿色路线（如酶促聚合、无溶剂开环聚合）可在温和条件下生成高性能材料。例如，使用基因胶（genipin）交联的壳聚糖水凝胶显示出95%以上的细胞存活率，并在8周内实现可控降解，但其机械强度降低20–30%，需通过纳米填料增强才能用于承重场景。

3.2. 生物基纳米材料与复合材料

纳米技术通过绿色合成法（如植物提取物还原金属纳米粒子）显著提升了材料的生物相容性与功能多样性。例如，银、锌氧化物和羟基磷灰石纳米颗粒可用于抗菌敷料和骨再生支架。此外，天然纤维（如纤维素、几丁质）与可降解基质的复合物在保持机械性能的同时降低了环境足迹。

4.2. 生物可降解电解质与电极

凝胶基水电解质（如明胶-甘油体系）展现出10^?3–10^?2 S/cm的离子电导率，能够为短期植入式器件供能。然而，其机械稳定性和湿敏性仍是应用瓶颈。另一方面，镁、锌等可降解金属作为电极材料在降解过程中释放生物友好离子，兼具能源与营养功能。

4.3. 生物基压电与摩擦电材料

天然压电材料（如丝素蛋白、纤维素纳米纤维）和摩擦电材料（如PLA-丝绸复合层）能够将人体机械能转化为电能，用于驱动心脏起搏器、伤口监测贴片等设备。这类材料兼具柔性与生物可降解性，但输出功率较低（如摩擦电器件功率为0.5–2 mW/cm2），依赖多机制集成提升效率。

4.4. 生物衍生能源存储材料

研究特别介绍了金属棉纤维生物燃料电池（MCF-BFC），该器件通过层叠组装金纳米颗粒和葡萄糖氧化酶，在模拟胃液中实现3.7 mW/cm2的功率输出，持续工作72小时以上。这类系统利用生物体液中的葡萄糖直接供能，为无电池植入设备提供了可行方案。

5.5. 混合能量采集系统

为应对生理环境的动态变化，集成压电、热电、生物燃料电池的混合系统成为趋势。例如，可同时从运动和汗液中采集能量的皮肤贴片，以及结合热电与光响应的智能伤口敷料，它们通过功能互补提升能源可靠性和治疗精准性。

研究结论表明，可持续化学策略显著推进了生物医学能源材料的发展，使其在性能、生物相容性与环境可持续性之间达到更优平衡。然而，当前仍面临降解动力学可控性、规模化生产稳定性、长期体内安全性等挑战。未来需通过材料-器件-临床跨学科合作，建立标准化评估体系，并发展智能响应、闭环调控的下一代能源平台，最终实现医疗电子技术的绿色革命。